CC BY
22УДК 622.23.05:622.7
Харламов В.Е.
Харламов Вячеслав Евгеньевич, к. т. н., доцент кафедры механизации природообустройства и ремонта машин ТвГТУ
Морозихина И.К.
Морозихина Ирина Константиновна, к. т. н., доцент кафедры механизации природообустройства и ремонта машин ТвГТУ. [email protected]
Крылов К.С.
Крылов Константин Станиславович, к. т. н., доцент кафедры механизации природообустройства и ремонта машин ТвГТУ. [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЯГОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ВАЛКОВАТЕЛЯ ФРЕЗЕРНОГО ТОРФА
Аннотация. Предлагаемый анализ процесса колебания тягового сопротивления машинно-тракторного агрегата с пассивным рабочим органом позволит установить минимально необходимую продолжительность записи процесса при комплексных статистических исследованиях режима нагружения валкователя таким образом, чтобы точность вычисления всех статистических характеристик процесса была на достаточном для практики уровне. Первичные данные тензометрии подлежат предварительной обработке для выравнивания колебательного процесса нагружения как по его текущим средним значениям, так и по уровню амплитуд.
Ключевые слова: торфяной валкователь, машинно-тракторный агрегат, колебания тягового сопротивления, тезометрическая аппаратура.
Harlamov V.E.
Harlamov Vycheslav E., PhD, Associate Professor, Chair of Mechanization of Environmental and Repair Machines, TSTU
Morozikhina I.K.
Morozikhina Irina K., PhD, Associate Professor, Chair of Mechanization of Environmental and Repair Machines, TSTU
Krylov K.S.
Krylov Konstantin S. PhD, Associate Professor, Chair of Mechanization of Environmental and Repair Machines, TSTU
RESEARCH
OF TRACTION RESISTANCE OF THE SWATH COLLECTOR OF MILLING PEAT
Abstract. The offered analysis of process of oscillations of tractive resistance of the machine and tractor aggregate with a passive working organ will allow to set minimum necessary duration of record of process in case of complex statistical investigations of the mode of loading of the swath collector so that the accuracy of computation of all statistical characteristics of process was at the level, sufficient for practice. Primary data of tensometry are subject to preliminary processing for alignment of oscilla-tory process of loading both on its current mean values, and on the level of amplitudes.
Key words: peat swath collector, machine-tractor unit, draught resistance oscillations, strain-gauge instrumentation.
Прогнозирование надежности торфяных машин на стадии проектирования является актуальной задачей, точность решения которой определяется тем, насколько величина и характер нагрузки, принимаемой при прочностном расчете элементов конструкции, соответствует действительной [1].
В процессе эксплуатации нагрузка рабочих органов имеет резко переменный, случайный характер [1]. Он обусловлен многими факторами, в частности изменением профиля поверхности, влажности, степени разложения, плотности и прочностных свойств эксплуатируемых торфяных залежей. Особое влияние на технологические процессы добычи торфа и формирование нагрузок оказывают древесные включения в торфяной залежи [1, 2]. Такой тип нагрузок ухудшает работу двигателя трактора [1, 3]. Их влияние усиливается при больших амплитудах и частоте колебаний. Точность работы машины, а следовательно, и выполнение технологического процесса, напрямую зависит от колебаний рабочего органа относительно базового трактора и вместе с ним [2].
В статье представлены материалы экспериментального исследования тягового сопротивления валкователя, возникающего в процессе выполнения технологической операции.
Торфяной валкователь представляет собой агрегат к гусеничным тракторам в виде навесного одно- и многоотвального устройства или в виде прицепного с несколькими рабочими секциями, каждая из которых представляет собой два отвала, формирующих общий валок (рис. 1).
Тензометрические исследования тягового сопротивления валкователя в производственных условиях проводились с помощью комплекса специального тензометрического оборудования, обеспечивающего обработку, отображение и хранение получаемой информации [4, 5].
В комплект измерительной аппаратуры входили: проволочные и индукционные датчики - задающие элементы аппаратуры; усилитель-преобразователь тензометрический УПТ-2А, компьютер, блок питания, соединительные кабели и генератор.
Усилитель-преобразователь тензометри-ческий УПТ-2А [4, 5] представляет собой согла-
Рис. 1. Валкователь фрезерного торфа Fig. 1. Milled peat swath collector
сующее устройство между тензодатчиками и звуковой картой компьютера. В его функции входит: обеспечение усиления сигналов несущих частот, идущих со звуковой карты; подача усиленных сигналов несущих частот на датчики; обеспечение амплитудной модуляции сигналов несущих частот в соответствии с изменением сопротивления датчиков; усиление результирующего сигнала и вывод его на линейный вход звуковой карты; обеспечение относительной независимости процесса функционирования от стабильности и «шум-ности» питающего напряжения путем внутренней стабилизации.
При исследовании тягового сопротивления валкователя использовались прямоугольные проволочные тензодатчики сопротивления типа ПБ-20-100. Датчики наклеивались на специально подготовленные поверхности деталей. Перед каждой записью нагрузки производилась тарировка аппаратуры.
Программное обеспечение позволяет осуществлять вывод и обработку результатов измерений, осуществлять установку нуля и проводить тарировку для каждого из каналов. Результаты измерения выводятся на экран монитора в виде графика и хранятся в оперативной памяти ПЭВМ. Для первичной обработки результатов измерений применяется блок статистической обработки, который позволяет определять оценки математического ожидания, дисперсии, плотности распределения, корреляционной функции и спектральной плотности измеряемого процесса [5, 6].
В качестве тягача использовался трактор ДТ-75. Общая продолжительность записи при работе валкователя на различных участках поля добычи Т = 230 сек.
Наиболее точно и просто процесс изменения тягового сопротивления можно выразить с помощью полигона распределения [7]. Полигон аппроксимирован теоретической кривой нормального распределения с параметрами:средним значением сопротивления Тср = 1190 Н и его среднеквадратическим отклонением от = 300 Н.
Уравнение теоретической кривой в нормированном виде
f 00=
1
z
т
T - т
где z = -
cp
GT
Для наиболее значащего участка кривой распределения f (z) > 0,1 приемлемость принятой аппроксимации подтверждена существенным уровнем критерия Пирсона х2. Режим нагружения деталей валкователя, характеризующийся указанным распределением, близок к среднему нормальному режиму [8].
Максимальное, длительно действующее тяговое усилие на прицепе валкователя (f (z) > 0,03) составляло Tmax = 1870 Н.
Текущие значения оценок математического ожидания и среднеквадратического отклонения процесса для двадцати трех последовательных участков осциллограммы рассматривались как отдельные независимые реализации продолжительностью по 10 сек. Колебания текущих оценок математического ожидания около его среднего значения оценивают примерно ±15%; колебания оценок среднеквадратического отклонения - более ±40. Таким образом, нестационарность процесса, связанная с изменением условий работы валкователя, сказывается как на уровне текущих средних тягового сопротивления, так и на характере колебания тягового сопротивления около среднего значения.
Нестационарность процесса иллюстрируют и полученные корреляционные функции (рис. 2).
Они указывают также на отсутствие эргодичности записанного процесса по отношению к математическому ожиданию - корреляционные функции не обнаруживают стремления к нулю при увеличении интервала сдвига т, а приближаются к некоторому, достаточно постоянному для всех рассмотренных корреляционных функций, значению дисперсии процесса D. Такой случайный процесс для своего анализа требует предварительной стациона-ризации исходных данных.
Среди имеющихся отдельных реализаций процесса выбрано несколько реализаций, обнаруживающих слабую стационарность и эргодичность. Корреляционные функции трех таких реализаций представлены на рис. 2.
Общий характер протекания корреляционных функций позволяет приближенно оценить их время спада на уровне ткорр = 2,0 с. Этим же временем следует определять интервал между независимыми измерениями ординат анализируемой осциллограммы. Таким образом, число независимых отсчетов тягового сопротивления N, связанное со временем записи
Рис. 2. Нормальная корреляционная функция сопротивления на сцепке трактора
Fig. 2. Normal cross-correlation function of resistance on coupling of tractor
процесса валкования T0, определяется соотношением
Рд=v2n
tp 12
- ~Ln
S*
-t„
dtp,
N = -°- «(0,5..Д6)Г0.
корр
Как известно, объем независимых измерений исследуемого случайного процесса зависит от принятой точности используемых при его анализе статистических характеристик. Так, время записи процесса из условия ограничения относительной погрешности его математического ожидания 8т определяется формулой [9]:
T = т
m корр
W2
5
V m У
где ^ - коэффициент нормального распределения, связанный с доверительной вероятностью Р„ соотношением
где ^ - коэффициент вариации нагрузки.
Назначив доверительную вероятность на уровне 95%, допустимую относительную ошибку оценки математического ожидания 8т = 0,20 (ошибка в пределах ±10%) и имея в виду, что для исследуемого процесса
¥ = ^L = 0,25 и т T
cp
корр max
= 2,0 с,
получим
T = 2
m
1,645-0,25 0,2
\2
= 8,5 с.
Продолжительность записи процесса из условия ограничения относительной пог-
решности для среднеквадратического отклонения на прежнем уровне ( 8а = 0,2 )
т
T _ корр
2
' t л2 V 8e у
1,645 0,2
\2
_ 67,5 с.
Что касается продолжительности записи нагрузок валкователя из условия ограничения среднеквадратической погрешности при вычислении корреляционной функции на уровне 8р = 0,2, то для нормального, стационарного и центрованного процесса эта величина определяется выражением
т
гр_ корр
р=^т
2
0,22
■ = 50 с.
Таким образом, продолжительность записи процесса при комплексных статистических исследованиях режима нагружения валко-вателя следует принимать по возможности не менее Т0 = 70 сек, с тем чтобы точность исчисления всех статистических характеристик процесса не падала ниже ±10%. При этом первичные данные осциллограммы подлежат предварительной обработке для выравнивания (стационаризации) колебательного процесса нагружения как по его текущим средним значениям, так и по уровню амплитуд. Вопрос оптимальной методики такой обработки требует дополнительного изучения.
Библиографический список
1. Фомин К.В. Элементы статистической динамики торфяных машин: учебное пособие для вузов. - Тверь: ТвГТУ 2001. - 132 с.
2. Фомин К.В., Павлов А.Н. Моделирование воздействия на элементы ходовых конструкций торфяной машины со стороны поверхности карты//В сб.: Проблемы природопользования и инженерной экологии: сборник трудов ученых и преподавателей факультета природопользования и инженерной экологии ТГТУ Федеральное агентство по образованию, Тверской
государственный технический университет; редкол.: Л.Н. Самсонов, А.Е. Афанасьев, Л.В. Копенкина. - Тверь, 2007. - С. 111-115.
3. Самсонов Л.Н. Оценка работы двигателя трактора при эксплуатации торфяного фрезерующего агрегата / Л.Н. Самсонов, К.В. Фомин // Торф в решении проблем энергетики, сельского хозяйства и экологии: Материалы международной конференции. - 2006. - С. 66-68
4. Харламов В.Е., Фомин К.В., Крылов К.С., Морозихина И.К. Определение динамических параметров торфяного машино-трак-торного агрегата экспериментальным методом //Депонированная рукопись. Библиографическое описание опубликовано в «Горном информационно-аналитическом бюллетене» № 1, 2013 г. Справка № 935/01-13, от 1 ноября 2012 г. 5 с.
5. Гаганов П.Г., Фомин К.В. Усилитель-преобразователь тензометрический УПТ-2А // Развитие механики торфа и научных основ создания и оборудования торфяного производства: Мат. конференции к 100-летию рождения Солопова С.Г. - Тверь, 2001. -С. 110-112.
6. Крылов К.С. Методика проведения стендовых испытаний привода машинно-тракторного агрегата с использованием нагру-женности в реальных производственных условиях / К.С. Крылов, В.Е. Харламов // Труды Инсторфа. Научный журнал. -№ 11 (64). - С. 39-44.
7. Крылов К.С. Разработка методов определения режимов нагружения приводов торфяных фрезерующих органов на стадии проектирования. Дис. ... канд. техн. наук. -Тверь, 2010. - 153 с.
8. Цуркан А.Г. К вопросу о расчете элементов привода торфяных машин с учетом режима нагружения // Труды КПИ, вып. VI (XIX), 1971.
9. Методы ускоренных инструментальных испытаний дорожных машин и их узлов / Д.И. Федоров, Б.А. Бондарович, В.И. Перепо-нов, И.А. Недорезов; под ред. д-ра техн. наук Д.И. Федорова. - Москва: [б. и.], 1967. - 70 с.
